中国湖泊水体富营养化生态治理技术研究进展

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　　摘要：中国湖泊水体富营养化严重，生态治理技术因不会带来污染物且对环境影响小而受到广泛关注。对当前湖泊水体富营养化生态治理技术进行总结，指出中国北方湖泊生态治理难度大，采用具有可再生性的生物炭作为基质修复富营养水体，效果较好。另外，采用复合型人工湿地和立体生态浮床技术治理富营养水体，效果显著。当前水生植物和基质材料在湖泊富营养生态修复中发挥着重要作用，但是植物生物量利用率低，特别是基质材料退役后未能得到资源化利用，因此提出在以后的研究中应注重提高湖泊水体富营养生态治理水平，实现资源化利用，降低湖泊治理成本。
　　关键词：湖泊;富营养化;植物;生态治理;人工湿地;生态浮床
　　中图分类号：X524         文献标识码：A
　　文章编号：0439-8114（2020）01-0005-06
　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.01.001           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　Abstract： Eutrophication of lake water in China is serious， and ecological control has attracted widespread attention because of its no pollution and small environmental impact. Ecological control technology of the lake water rich nutrition were summarized. It is pointed out that it is difficult to control the lake ecology in northern China， and the effect of using biochar with reproducibility as substrate to repair eutrophication water body is good. In addition， the effects of complex constructed wetland and three-dimensional ecological floating bed technology on eutrophic water body are remarkable. At present， aquatic plants and substrate materials play an important role in eutrophic restoration of lakes， but the utilization rate of plant biomass is low. Especially， the matrix materials have not been used as resources after retirement. In the future， we should pay attention to improving the level of eutrophication and ecological control of lakes， realize the utilization of resources and reduce the cost of lake control.
　　Key words： lakes; eutrophication; plants; ecology control; constructed wetland; ecological floating beds
　　近些年來，中国经济快速发展促进了湖泊的过度开发利用，再加上农田化肥农药过量使用、畜禽粪便和秸秆处理不及时，降雨形成的地表径流将污染物带入地表水体，导致湖泊地表水体营养盐和污染物的量急剧增加，从而引起水体富营养化。根据2012年《中国环境状况公报》，湖泊轻度富营养化和中度富营养化约占25%，湖泊的富营养化导致生态系统浮游植物群落的变化，改变底栖动物生境，进而引起整个生态系统失衡[1-4]。中国湖泊富营养化治理经历了调查诊断、控源治污、湖泊综合治理和以湖泊生态安全、绿色流域建设为核心的湖泊流域综合治理4个阶段[5]。富营养化成因复杂，外源输入与内源释放是其主要原因，对于外源输入，在提高污水处理率和完善配套管网的同时，重点在加强管理;对于内源释放，主要采取底泥疏浚或覆盖、微生物净化、生物浮床和人工湿地建设等方法[6-9]。研究发现，当前湖泊富营养化治理以控制面源污染为重点，特别是控制污染物输入，尤其是氮磷含量高的污染物的输入[10-12]。
　　针对湖泊的富营养化，目前国内外开展研究的较多。总体上说，通过实施产业结构调整控污减排、污染源工程治理与控制、提高水体含氧量和开展污染生态修复等，能够使湖泊的污染受到控制[13-15]。实践证明，以生态浮床为载体的生态工程，综合运用水体分割技术、底栖动物增扩技术、人工附着介质技术和水生植被恢复技术等多项技术手段能够明显改善富营养化水体[16]。投加抑制剂、控制酸碱度、提高溶解氧（DO）来抑制底泥中磷的释放[17-23]，采用水下臭氧杀菌改变活性污泥[24]，虽然都能够改善底栖生境，缓解湖泊的富营养化状态，都不具有可持续性，生态处理技术能够克服这一缺陷。然而生态处理方法受环境条件限制，治理效果有限。研究发现，影响生态沉水植物恢复的核心条件是水下光照条件，水下光照条件受富营养水平、悬浮物浓度与水深等因子的影响，主要水环境因子有水温、高锰酸盐指数、总氮、总磷和透明度等，其与沉水植物相互作用[25-27]。有研究从水生态系统演替的角度出发，采用“食藻虫—沉水植物—鱼类”立体复合生态修复，结果浮游植物生物多样性增加，蓝藻得到有效控制，水体富营养化得到控制[28，29]。以机械化方式收割沉水植物能够削减湖泊内各种营养盐的积累，转移各种氮磷营养盐，实现湖泊富营养化治理和资源开发兼顾的目的[30]。通过浮床种稻原位修复、稻田湿地异位修复和稻鱼生态种养3种模式可以有效地净化或减少地表水体中氮磷等养分物质，实现湖（库）富营养化治理的同时，还能够有效利用氮磷养分[31]。 　　在开展地表水体富营养化治理时，首先应确定流域低污染水类型、污染负荷及分布，探明氮磷的输入量，进行氮磷平衡计算[32-34]。研究水体富营养化成因和潜在机制，发现导致水体富营养化的总氮（TN）和总磷（TP）释放通量变化基本一致，水流循环过程中，污染物的去向和迁移与营养物质、浮游植物和水生植物之间是相互作用的[35，36]。中国南北气候差异大，在湖泊富营养治理时，还应充分考虑地区气候特点。相比而言，中国北方地区零度以下气温时间长，湖泊自身净化能力差，水体富营养化相对严重。另外，北方地区植物生长周期短，植物修复技术应用受到限制。因此，开展中国北方地区湖（库）水体富营养化生态治理研究具有重要意义。
　　1  植物吸收和基质材料吸附水体中污染物
　　1.1  植物吸收
　　河湖水体的富营养化改变水生植物的群落结构[37]，反过来，水生植物通过自身调节净化富营养化水体。试验表明，水生植物对总氮、铵态氮、总磷和透明度指标改善明显[38]。研究发现，美人蕉在营养生长期和开花期均能够迅速有效地使富营养化水体各种营养物质浓度降低（表1）。但美人蕉对富营养化水体中氮、磷元素吸收存在差异，对总氮的吸收，营养生长期要略优于开花期;而对总磷的吸收，开花期优于营养生长期[39]。如表2所示，美人蕉、再力花和千屈菜3种植物对水体TN、TP的吸收能力差異显著[40]。其中再力花对TN的吸收明显优于美人蕉和千屈菜，而对TP的吸收，美人蕉则优势更为明显。
　　如表3所示，美人蕉、芦苇、水葱、凤眼莲和水芹菜5种植物对化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、TN和TP的吸收能力差异显著，植物的去除率远高于水体自身的净化[41]。净化效果最好的是美人蕉，其次为凤眼莲，而水芹菜对COD的净化效果最差，仅略高于自然净化。
　　研究发现，凤眼莲对TN的去除率随TN初始浓度的增加而减少，对TP的去除率随TP初始浓度的增加而增加（表4），同时需防止根系对悬浮物的捕获以及凤眼莲和悬浮物的腐烂引起水质恶化[42，43]。陈书琴等[44]研究发现，海菜花人工种植技术较为成熟，四季生长旺盛，可以充分利用来吸收水中营养盐，获得经济和景观效益。何连生等[45]对白洋淀水体富营养化研究发现，当荷花种植密度为3株/m2时，水体中的总氮、总磷和氨氮的平均去除率均超过40%。刘存歧等[46]研究发现，人工种植菱和睡莲能显著提高水体透明度和物种多样性指数，降低浮游植物密度，抑制水华的发生。凤眼莲对富营养化水体修复明显，在应用过程中，除清除枯萎的叶片外，还应控制其扩张和蔓延引起外来物种入侵。总之，挺水植物对富营养化水体的修复效果显著，考虑不同植物在不同生长期对总氮和总磷的吸附量存在较大差异，采用几种植物混合种植能有效提高修复效果。
　　从以上研究可以看出，总体上，美人蕉对TP和TN的吸附效果显著，均在70%以上，最高达90%，同时具有景观效果，是理想的富营养化水体修复植物。芦苇作为常用的修复植物，对TP和TN的吸附效果较好。另外，再力花在富营养化水体中表现出对TP和TN较好的吸收。尽管凤眼莲对水体N和P的修复效果较好，但是常常会引起外来物种入侵，在采用时应采取有效的措施。
　　除了浮水植物和挺水植物外，沉水植物对水环境的影响不可忽视。沉水植物能够减缓风浪﹑固定底泥、抑制和吸附悬浮物，从而能够显著降低水体浊度[47]。陈少毅等[48]研究发现，沉水植物苦草和黑藻对氨氮和磷的吸收速率和米氏常数不同，将两者应用于水体富营养修复的不同阶段具有重要意义。邵飞等[49]研究发现，条斑紫菜生长速度快，氮磷去除效率高，生态修复潜力大。任文君等[50]对白洋淀的3个地方研究发现，菹草对水体中总磷的吸收净化存在较大差异，最大去除率达80%以上（表5）。由于沉水植物受到水体中动物食用、水温和水质等影响，对富营养化水体修复能力有限。在实际应用中，挺水植物和浮水植物结合修复水体，能够显著提高对水体的修复效果。中国北方地区寒冷，适用于水体修复的植物少，另外植物生长周期短，对水体的净化效果有限。因此，开发新的水体修复植物品种成为北方地区植物修复水体的关键。
　　1.2  基质材料吸附
　　由于基质材料能够促进植物的生长和对水体中污染物的吸收，采用基质材料吸收水中的污染物改善水体富营养化具有重要意义。采用木质和煤基活性炭基质净化富营养化水体，试验发现木质活性炭对人工湖中叶绿素a和浊度的去除率较高，煤基活性炭对TN和蓝藻的去除率较高（表6）[51]。采用“微曝气+缺氧”两段式多级土壤渗滤系统净化低有机废水，发现水温的降低会直接降低系统的脱氮效率;水力负荷降低会提高TN的去除率，在添加碳源木屑或聚羟基丁酸戊酸酯时，表现出较好的强化脱氮性能[52]。对两种生物质炭（花生壳炭、小麦秸秆炭）基质进行铁改性处理后，对硝态氮的吸附量随着水溶液中硝态氮浓度的上升而升高，其对硝态氮最大吸附潜力分别为2 674、1 285 mg/kg，且pH至中性条件时有利于改性生物质炭对硝态氮的吸附[53]。有研究发现，采用砾间接触氧化工艺对低污染水具有较好的脱氮除碳效果，采用砾间接触氧化法处理低污染河水，在分段进水的情况下，较佳工况下系统CODMn、NH3-N、TN去除率均超过40%[54，55]。以种植水芹的湿地系统为对象，发现加入1%煅烧温度为700 ℃和500 ℃生物炭的系统对表面水TN去除、氨挥发损失以及生物量和养分累积量均有提高[56]。
　　生物炭基质对水体中的污染物具有较好的吸附性，对总氮和总磷的去除效果明显。由于生物炭具有可再生性，应用前景广阔。另外，由于基质材料长期运行后对污染物的吸附易达到饱和，同时污染物易堵塞基质材料，因而吸附效果会逐渐降低，基质需要及时更换。更换的基质应得到有效妥善处理，其中资源化利用是重要方向，需加强研究。为提高效率，开发低成本高吸附性能的材料是未来发展的关键。 　　2  人工湿地净化
　　人工湿地修复湖泊（库）富营养化水体，成本低且效果好。针对潜水湖泊富营养化，采取人工复合植物群落生态修复系统技术+围隔扩展技术、人工浮岛修复系统-湿生植物群落构建与镶嵌技术+长时间低强度曝气技术、自然处理系统或暴雨塘技术、冬季晒湖-底质翻耕+繁殖体播撒技术等复合技术能够有效地治理湖泊富营养化[57]。通过对圆币草、大聚藻、睡莲、浮萍、黄菖蒲、香蒲、再力花、花叶芦竹8种植物进行匹配，构建人工湿地，结果表明，挺水植物圆币草和大聚藻构建的表面流人工湿地对氮磷污染物净化效果好（表7）[58]。对不同质量浓度的NH3-N在水平潜流人工湿地进行研究，发现在水力停留时间为2.5 d，芦苇湿地对TN的去除率随着浓度的提高而降低且平均值均高于60%[59]。采用地表漫流式、串形沟灌渗滤式和弓形沟灌渗滤式连续进水方式，在水稻拔节期和灌浆期，稻田湿地对低污染水中TN和TP的去除率分别可达77%～93%和87%～96%[60]。在氧化塘-表流湿地-潜流湿地-表流湿地的复合型人工湿地中，氧化塘和表流湿地中硝化作用强于潜流湿地，NH3-N和TN的平均去除率均达50%左右[61，62]。人工湿地实现基质和植物净化的结合，特别是复合型人工湿地，对湖泊和水库的水体中的污染物的去除效果明显，能够有效地治理湖泊（库）富营养化水体。近些年人工湿地的发展也推动了湖（库）水体富营养化的治理，特别是排入湖（库）的水体经过人工湿地前置处理，效果明显。然而人工湿地植物的生长受到气候的影响，因此，开发无植物人工湿地或提高人工湿地植物对污染物的净化效果具有重要意义。
　　3  生态浮床技术净化
　　生态浮床技术是以浮床植物吸收或植物和浮床基质联合吸收吸附相结合的方式净化水体。生态浮床形式自由，漂浮于水面，通过植物和浮床的基质吸收，实现对污染物的治理。生态浮床技术在湖泊（库）中对富营养的治理效果明显，浮床上种植的植物同时获得生物量，实现经济效益和环保效益双赢。研究发现，蕹菜浮床、蕹菜-聚苯乙烯纤维绳组合浮床、蕹菜-麻绳组合浮床对水中TN、NH3-N、TP和DIP均有较好的去除效果，采用网箱、粘扣式网床和捆绑式网床3种种植方式种植苦草、水盾草和轮叶黑藻，网箱种植方式下沉水植物的生长状况最好，对水质的净化效果最好[63]。对太湖入湖河流低污染水进行处理，结果如表8所示，发现垂向移动式生态床技术对NH3-N、NO3--N和TP的去除率高于生态浮床技术，但生态浮床技术对COD和TN的去除效果略优于垂向移动式生态床技术[64]。采用水芹植物浮床技术修复受污染的河水，发现其对水体中TN和TP的去除，植物吸收有限，仅占25%左右[65]。以植物美人蕉、菹草和动物泥鳅相结合，采用天然沸石基质组成的综合生态浮床技术对TN和TP的去除率均达到70%以上[66]。由此可见生态浮床技术对湖泊（库）的净化效果明显。特别是组合式生态浮床技术的发展极大地推动了水体富营养化治理技术的进步。另外，由于浮床漂浮于水面，而重金属一般沉淀于河湖底泥中，因而生态浮床对富营养化水体修复后，浮床植物和基质可进行资源化利用，提高了生态浮床的经济价值。
　　4  小结与讨论
　　通过对中国北方湖泊水体富营养化生态治理技术进行分析，得出以下主要结论：①中国北方地区低温时间长，湖泊自净能力差，富营养化治理难度大;②美人蕉、芦苇和再力花等水生植物对富营养化水体净化效果好，对总氮和总磷的吸收能力强;③生物炭基质对富营养化水体中的氮磷吸附能力強，具有可再生性，且处理富营养化水体后基质可资源化利用，因而应用价值高;④复合型人工湿地对污染物的去除效果明显，能够有效地治理湖泊富营养化水体;⑤立体生态浮床技术能够实现浮床植物吸收、水生动物净化和基质吸附相结合，对湖泊水体富营养化改善明显。
　　由于中国湖泊分布范围广，富营养化程度差异大，生态治理仍然是一个难点。中国湖泊水体富营养生态治理存在的主要问题有：①中国北方地区湖泊水体自净能力差，治理难度大;②水生植物和基质材料在湖泊富营养生态修复中发挥着重要作用，但是目前植物生物量利用率低，基质材料退役后未能得到资源化利用;③目前人工湿地利用率低，易发生堵塞现象、植物生长慢、处理率低、基质处理易产生二次污染等问题;④生态浮床技术修复周期长，资源化利用率低。因此，应加强研究，提高湖泊水体富营养生态治理的水平，实现治理与资源化利用相结合。
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